基於主控的兆瓦級風力機統一和獨立變槳混合控制方法
2023-05-30 13:09:11
專利名稱：基於主控的兆瓦級風力機統一和獨立變槳混合控制方法
技術領域：
本發明涉及一種風力發電的控制方法，具體地說，是一種基於主控的兆瓦級水平軸風力機統一和獨立變槳混合控制方法。
背景技術：
風能是一種可再生能源，近年來，風能開發與利用已廣泛受到高度重視。一般的， 變速和變槳距調節方式是兆瓦級水平軸風力機風能收集和轉換的兩種主要功率調節方式。 在風速低於額定風速的情況下，主要採用變速調節方式，即通過調節發電機轉子轉速，獲得最大風能轉換功率；當風速大於額定風速時，採用變槳距調節方式，即通過調節槳距角，使發電機輸出功率基本上等於額定功率。風力機變槳控制有統一變槳和獨立變槳兩種控制方式。統一變槳控制方式是指風力機每個槳葉接受風力機主控發出的一個大小相同的變槳命令進行功率調節。這種控制方式本質上是認為整個風輪掃掠面上風速等於輪轂處平均風速。顯然統一變槳控制是一個比較理想化的控制方式，其優點是其控制策略簡單易實現，變槳機構響應快，輪轂葉根處驅動齒輪無須頻繁變動磨損較小，缺點是控制精度不高，槳葉載荷受力不平衡帶來較嚴重的振動、疲勞、動力穩定性、使用壽命等問題。實際中風力機受到風剪切、塔影效應、湍流、尾流和偏航等因素的影響，使得風速在整個風輪掃掠面上是處處不同的，從而加劇了槳葉在風輪掃掠面上所受到的空氣動力載荷的周期性變化。由於作用於風輪槳葉上的周期性氣動載荷會引起槳葉的動響應，而此響應又反饋於外部氣動載荷，使得本就複雜的風力機振動、疲勞、動力穩定性、使用壽命等問題變得更加複雜且不容忽視。同時由於風速的這種周期性變化，對併網型的風力發電機組而言，其輸出電壓和輸出功率也存在一定的波動，輸出電能的品質也會產生一定影響。獨立變槳控制考慮到實際中風剪切、塔影效應、湍流、尾流和偏航因素對風力機的影響，變槳角度不僅與輪轂處平均風速有關，而且還與各槳葉在風輪掃掠面空間位置有關。 這種控制方式優點是控制精度高，通過微調各槳葉槳距角，改善由風輪掃掠面上風速大小不同產生的不對稱載荷對風力機振動、疲勞、動力穩定性、使用壽命的影響，其缺點是控制策略複雜，輪轂葉根處驅動齒輪頻繁變動磨損較大，另外由於葉輪轉動較快，例如對目前陸上2兆瓦風力機，變槳動作時風輪只須3 4秒旋轉一圈，這對變槳機構精確快速響應提出了很高要求。目前風力機變槳控制只採用單一的變槳控制策略，正如前文談到的，不管是採用獨立變槳還是統一變槳，二者都存在優點和不足，且隨著風力機容量增大，這些優缺點表現的愈加顯著。海洋風資源豐富，不佔用土地，機位選擇空間大，有利於選擇場地，受環境制約少， 且海上風速高、湍流強度小、風電機組發電量多、風能利用更加充分，其能量收益沿海風資源豐富地區比陸地高20% 40%。而且海上風力機單機容量越來越大，風力機葉片越來越長，塔架越來越高，葉輪轉速相比陸上風機相對較小，這些都有利於海上兆瓦級風力機獨立變槳控制的應用。實際中變槳控制系統一般是作為部件給風機整機配套的，接收風力機主控發出的變槳命令，驅動變槳機構完成變槳動作。風力機主控是各風力機廠家在整機設計時就開發完成的，是風力機整機控制的核心，變槳控制器如果脫離主控，不但要加大設計成本，更重要的是不能和主控連接，從安全性和可靠性的角度，風力機整機廠家不會輕易採用。經對現有技術的文獻檢索發現，統一變槳控制相對比較成熟，差異較大和應用難點主要集中在獨立變槳控制上。Bossanyi等在《Wind energy》(風能)(2005年，第8卷， 第 481—485 頁)上發表的"Further load reduction with individual pitch control，， (獨立變槳控制對減弱載荷的研究)，該文中提出了一種由每個槳葉的揮舞方向載荷作為控制輸入量，控制每個槳葉動作的獨立變槳控制方法。該文中談到的獨立變槳控制方法雖然揮舞方向載荷有所減弱，但是存在的問題一是揮舞方向載荷需考慮哪些因素的影響和怎麼計算沒有明確給出，二是所構成的控制系統是開環的，無法保證系統的安全和穩定。邢鋼等人發表在《農業工程學報》(2008年，第M卷第5期，第181-186頁)上的 「風力發電機組變槳距控制方法研究」，獨立變槳控制採用的是神經網絡算法，通過測量獲得大量觀測數據來訓練神經網絡，再用訓練好的神經網絡去估計不同高度的風速，最後預測每個槳葉指定位置的來流角，並利用其變化量分別修正各槳葉的節距角。這種方法有很大應用難度，這是因為考慮風剪切和塔影效應等因素後，整個風輪面風速都不同，怎麼測且測多少個點來形成樣本數據是很複雜的，另外通過預測來流角來得到槳距角也不是一個理想的方法，因為風速和風輪轉速確定了，則來流角就確定了。對於槳葉來說，沿展向風速是不同的，所以各點處來流角是不同的，但對確定的一個槳葉來說，不考慮槳葉外形扭角的前提下，槳距角變化是大小相同的，這就是說需要確定槳葉各點處大小不同的功角，或者說需要確定各點的槳距角變化量，這樣做同樣樣本數據量很大。辛理夫等人申請了 「用於風力發電機組的獨立變槳控制系統及控制方法」(申請號200810241144.0)發明專利，該發明專利提出了一種風機功率控制器、周期性不均勻載荷補償控制器、瞬態衝擊載荷補償控制器組成的控制模塊對風力機功率、風輪轉速、葉輪位置信號、槳葉角度信號、槳葉振動信號進行處理，來綜合調節槳葉槳距角的控制方法。葉杭冶等人發表在《工具機與液壓》(2009年1月，第37卷第1期，第90_93頁)上的「基於半物理仿真的變速恆頻獨立變槳距控制」，該文中提出了一種電機電磁阻轉矩調節和分段PID權係數分配的控制算法分別實現變速恆頻和獨立變槳距控制方法，該方法是基於風速的控制策略，即在計算一個和距地面高度有關的槳葉平均風速基礎上，再通過3倍的槳葉平均風速與三個槳葉的平均風速之和的比值，來計算得到各槳葉權係數。林勇剛等人發表在《太陽能學報》(2005年12月，第沈卷第6期，第780-786頁) 上的「大型風力發電機組獨立槳葉控制系統」，該文中提出了模糊控制結合以槳葉空間方位角作為主體因素的加權係數的獨立控制方法。與以上技術不同或創新之處在於，本發明首先明確提出了是基於風機主控的，集合統一變槳和獨立變槳兩種控制優點的混合控制方法；其次獨立變槳控制算法不同，本發明是基於風機主控輸出的變槳命令進行混合控制，既保證了風力機功率穩定輸出，又保證了與風機整機有很好的兼容性和通用性；第三，獨立變槳控制時提出了對主控變槳命令、槳葉方位角分段建模轉換的算法，既一定程度上滿足了快速響應要求，又改善了變槳動作對槳葉根部驅動齒輪的磨損；最後本發明則是採用光纖傳感系統測量槳葉根部形變來計算得到槳葉擺振載荷和揮舞載荷。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，針對兆瓦級水平軸風力機提供一種統一變槳和獨立變槳混合控制方法，使其在保證風力機功率穩定和最優輸出的前提下，平衡和減小槳葉載荷，降低風力機的振動，提高風力機動力穩定性和使用壽命。本發明所要解決的技術問題是通過以下的技術方案來實現的。本發明是一種基於主控的兆瓦級水平軸風力機統一和獨立變槳混合控制方法，其特點是實現該方法的系統包括變槳混合控制器，變槳混合控制器由變槳控制開關、統一變槳控制器和獨立變槳控制器組成，所述的獨立變槳控制器由槳距角-風速轉換模型、方位角轉換模型、擺振載荷計算模型、揮舞載荷計算模型、擺振載荷控制器、揮舞載荷控制器、位置環控制器組成；
風力發電機組併網前，首先根據風機具體工況在變槳控制開關中預設一個轉速偏差閾值並設定一個轉速給定值；風力發電機組併網後，轉速傳感器測得的發電機轉速測量值與轉速給定值相比較，得到一個轉速偏差，觸發變槳控制開關動作，即當轉速偏差大於這一閾值時，統一變槳控制器動作；當轉速偏差小於這一閾值時，獨立變槳控制器動作；
當轉速偏差大於轉速偏差閾值時，風機主控輸出的變槳命令作為統一變槳控制器的給定值，統一變槳控制器輸出轉速命令到電氣伺服變槳機構中的驅動器中，驅動電氣伺服變槳機構帶動槳葉完成變槳動作；
當轉速偏差小於轉速偏差閾值時，風機主控輸出的變槳命令由槳距角-風速轉換模型轉換為對應的平均風速，位置環控制器輸出轉速命令到電氣伺服變槳機構中的驅動器中， 驅動電氣伺服變槳機構帶動槳葉完成變槳動作；
所述的變槳混合控制方法包括統一變槳控制方法和獨立變槳控制方法；
所述的統一變槳控制方法具體步驟是
(1)當轉速偏差大於閾值時，即風速突然增大或減小，此時統一變槳控制器工作，風機主控輸出變槳命令作為統一變槳控制器的輸入給定值，槳葉的槳距角測量值通過安裝在電氣伺服變槳機構中電動機輸出軸上的位移傳感器檢測得到，並作為反饋值輸入到統一變槳控制器；給定值和反饋值二者比較產生統一變槳控制器的偏差值；
(2)統一變槳控制器可以採用常規的PI或PID控制算法，輸出轉速命令到電氣伺服變槳機構中的驅動器中，驅動電氣伺服變槳機構帶動槳葉完成變槳動作；
統一變槳控制器、電氣伺服變槳機構和位移傳感器構成一個完整的閉環控制系統；
所述的獨立變槳控方法的具體步驟是
(1)當轉速偏差小於閾值時，即風速增大或減小不明顯，此時獨立變槳控制器工作，風機主控輸出的變槳命令通過獨立變槳控制器中的槳距角-風速轉換模型轉換為對應的平均風速；槳距角-風速轉換模型根據具體控制精度要求，通過線性擬合公式或表格的形式分段給出；
(2)槳葉方位角由安裝在槳葉上的方位角傳感器檢測得到；方位角轉換模型根據具體控制精度要求，通過線性擬合公式或表格的形式分段給出；
(3)平均風速和槳葉方位角分別輸入到擺振載荷計算模型和揮舞載荷計算模型中；擺振載荷計算模型和揮舞載荷計算模型輸出值是在考慮風剪切、塔影效應、湍流、尾流和偏航因素對擺振載荷和揮舞載荷影響後，先計算出三個槳葉各自的擺振載荷和揮舞載荷，然後求平均值得到的，再分別乘以權係數作為擺振載荷控制器和揮舞載荷控制器的給定值；
(4)擺振載荷測量值和揮舞載荷測量值由安裝在槳葉上的光纖傳感系統測量得到；每個光纖傳感系統由4個光纖載荷傳感器組成，兩兩安裝於每個葉片根部的擺振和揮舞方向，通過光源探測器測量葉片根部形變，並經信號處理後得到葉片擺振和揮舞兩個方向的載荷，最後作為反饋值輸入到擺振載荷控制器和揮舞載荷控制器中；擺振載荷控制器和揮舞載荷控制器的給定值和反饋值分別比較，產生擺振載荷控制器和揮舞載荷控制器的偏差值；
(5)擺振載荷控制器和揮舞載荷控制器可以採用常規的PI或PID控制算法，分別輸出變槳命令；
(6)兩個變槳命令相加求平均值後，得到合成變槳命令，作為位置環控制器的給定值， 槳葉的槳距角測量值通過位移傳感器檢測得到，並作為反饋值輸入到位置環控制器；位置環控制器的給定值和反饋值二者比較產生位置環控制器的偏差值；
(7)位置環控制器採用常規的PI或PID控制算法，輸出轉速命令到電氣伺服變槳機構中的驅動器中，驅動電氣伺服變槳機構帶動槳葉完成變槳動作；
獨立變槳控制器、電氣伺服變槳機構、槳葉、位移傳感器、光纖傳感系統、方位角傳感器構成一個完整的閉環控制系統。在本發明技術方案中
1、風機主控通過變頻器控制器與發電機相連，構成最外環閉環控制系統。風機主控輸出的變槳命令保證了本發明不論是採用統一變槳控制，還是採用獨立變槳控制，風機功率都能穩定和最優輸出。風機主控具體閉環控制流程不在本發明討論範疇。2、槳距角-風速轉換模型可以根據具體控制精度要求，通過線性擬合公式或表格的形式分段給出，如可以以槳距角變化每1°來劃分變槳區間。區間劃分越細，控制精度越高，但是變槳動作頻率隨之也越快，對驅動齒輪的磨損也會越大。3、槳葉方位角由安裝在槳葉上的方位角傳感器檢測得到。同樣考慮到變槳頻繁動作將對槳葉根部驅動齒輪產生較大磨損，方位角可通過獨立變槳控制器中的方位角轉換模型轉換為分段的方位角。方位角轉換模型可以根據具體控制精度要求，通過線性擬合公式或表格形式分段給出，如可以以方位角變化每10°來劃分變槳區間。同樣區間劃分越細，控制精度越高，但是變槳動作頻率隨之也越快，對驅動齒輪的磨損也會越大。4、由於實際中三個槳葉的方位角不同，三個槳葉各自的擺振載荷和揮舞載荷大小也不同，求取平均值作為控制器的給定值後，即能保證三個槳葉擺振載荷和揮舞載荷大小相同，尤其是對槳葉揮舞方向載荷平衡具有重要意義。分別乘以權係數，還可以調節擺振載荷和揮舞載荷的大小，從而最終使其在保證風力機功率穩定和最優輸出的前提下，平衡和減小槳葉載荷，降低風力機的振動，提高風力機動力穩定性和使用壽命。5、本發明所述的電氣伺服變槳機構為常規的電氣伺服變槳機構，它可以為直流伺服變槳機構或交流伺服變槳機構，它主要由驅動器、電動機、減速器、電池箱或超級電容箱構成。每個槳葉分別對應一組電氣伺服變槳機構。當本發明方法中採用交流伺服變槳機構時，本發明方法更適合於海上風機應用。6、本發明所述的轉速傳感器是安裝於發電機輸出軸上，用於檢測發電機的轉速;位移傳感器安裝於每個電動機輸出軸上，位移傳感器可以採用光電編碼器，用於檢測電動機轉動角度，從而間接得到每個槳葉的槳距角；方位角傳感器安裝於一個槳葉的根部，用於檢測槳葉的方位角；光線傳感系統安裝於每個槳葉上，每個系統由4個光纖載荷傳感器組成，兩兩安裝於每個葉片根部的擺振和揮舞方向，通過光源探測器測量葉片根部形變，並經信號處理後得到葉片擺振和揮舞兩個方向的載荷。由於三個槳葉之間相差120度，相差角度是固定不變的，轉速也是相同的，所以轉速傳感器、方位角傳感器各只須安裝一組。與現有技術相比，本發明是基於主控的兆瓦級水平軸風力機統一和獨立變槳混合控制方法，當轉速偏差大於閾值時，即風速大範圍變化，採用統一變槳控制策略，當轉速偏差小於閾值時，即風速小範圍變化，採用獨立變槳控制策略。本發明方法綜合兩種變槳控制策略優點，使其在保證風力機功率穩定和最優輸出的前提下，平衡和減小槳葉載荷，降低風力機的振動，提高風力機動力穩定性和使用壽命。另外考慮實際中變槳控制系統一般是作為部件給風機整機配套的，接收風力機主控發出的變槳命令，驅動變槳機構完成變槳動作的。風力機主控是各風力機廠家在整機設計時就開發完成的，是風力機整機控制的核心，變槳控制器如果脫離主控，不但要加大設計成本，更重要的是不能和主控連接，從安全性和可靠性的角度，風機整機廠家不會輕易採用。本發明是基於風機主控實現變槳控制的，既保證了風力機功率穩定輸出，又保證了與風機整機有很好的兼容性和通用性。即使不作為配套部件，由於和風機主控留有接口，完全移植入風機主控中，也是十分簡單方便。
圖1為風力機統一和獨立變槳混合控制框圖。圖2為變槳控制開關原理框圖。圖3為統一變槳控制原理框圖。圖4為獨立變槳控制原理框圖。圖5為風速與槳距角對應關係原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，以兆瓦級三槳葉水平軸風力機為具體研究主體，給出了詳細的實施方式和過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。實施例1，參照圖1-4，一種基於主控的兆瓦級水平軸風力機統一和獨立變槳混合控制方法實現該方法的系統包括變槳混合控制器，變槳混合控制器由變槳控制開關、統一變槳控制器和獨立變槳控制器組成，所述的獨立變槳控制器由槳距角-風速轉換模型、方位角轉換模型、擺振載荷計算模型、揮舞載荷計算模型、擺振載荷控制器、揮舞載荷控制器、 位置環控制器組成；
風力發電機組併網前，首先根據風機具體工況在變槳控制開關中預設一個轉速偏差閾值並設定一個轉速給定值；風力發電機組併網後，轉速傳感器測得的發電機轉速測量值與轉速給定值相比較，得到一個轉速偏差，觸發變槳控制開關動作，即當轉速偏差大於這一閾值時，統一變槳控制器動作；當轉速偏差小於這一閾值時，獨立變槳控制器動作；當轉速偏差大於轉速偏差閾值時，風機主控輸出的變槳命令作為統一變槳控制器的給定值，統一變槳控制器輸出轉速命令到電氣伺服變槳機構中的驅動器中，驅動電氣伺服變槳機構帶動槳葉完成變槳動作；
當轉速偏差小於轉速偏差閾值時，風機主控輸出的變槳命令由槳距角-風速轉換模型轉換為對應的平均風速，位置環控制器輸出轉速命令到電氣伺服變槳機構中的驅動器中， 驅動電氣伺服變槳機構帶動槳葉完成變槳動作；
所述的變槳混合控制方法包括統一變槳控制方法和獨立變槳控制方法；
所述的統一變槳控制方法具體步驟是
(1)當轉速偏差大於閾值時，即風速突然增大或減小，此時統一變槳控制器工作，風機主控輸出變槳命令作為統一變槳控制器的輸入給定值，槳葉的槳距角測量值通過安裝在電氣伺服變槳機構中電動機輸出軸上的位移傳感器檢測得到，並作為反饋值輸入到統一變槳控制器；給定值和反饋值二者比較產生統一變槳控制器的偏差值；
(2)統一變槳控制器採用常規的PI或PID控制算法，輸出轉速命令到電氣伺服變槳機構中的驅動器中，驅動電氣伺服變槳機構帶動槳葉完成變槳動作；
統一變槳控制器、電氣伺服變槳機構和位移傳感器構成一個完整的閉環控制系統；
所述的獨立變槳控方法的具體步驟是
(1)當轉速偏差小於閾值時，即風速增大或減小不明顯，此時獨立變槳控制器工作，風機主控輸出的變槳命令通過獨立變槳控制器中的槳距角-風速轉換模型轉換為對應的平均風速；槳距角-風速轉換模型根據具體控制精度要求，通過線性擬合公式或表格的形式分段給出；
(2)槳葉方位角由安裝在槳葉上的方位角傳感器檢測得到；方位角轉換模型根據具體控制精度要求，通過線性擬合公式或表格的形式分段給出；
(3)平均風速和槳葉方位角分別輸入到擺振載荷計算模型和揮舞載荷計算模型中；擺振載荷計算模型和揮舞載荷計算模型輸出值是在考慮風剪切、塔影效應、湍流、尾流和偏航因素對擺振載荷和揮舞載荷影響後，先計算出三個槳葉各自的擺振載荷和揮舞載荷，然後求平均值得到的，再分別乘以權係數作為擺振載荷控制器和揮舞載荷控制器的給定值；
(4)擺振載荷測量值和揮舞載荷測量值由安裝在槳葉上的光纖傳感系統測量得到；每個光纖傳感系統由4個光纖載荷傳感器組成，兩兩安裝於每個葉片根部的擺振和揮舞方向，通過光源探測器測量葉片根部形變，並經信號處理後得到葉片擺振和揮舞兩個方向的載荷，最後作為反饋值輸入到擺振載荷控制器和揮舞載荷控制器中；擺振載荷控制器和揮舞載荷控制器的給定值和反饋值分別比較，產生擺振載荷控制器和揮舞載荷控制器的偏差值；
(5)擺振載荷控制器和揮舞載荷控制器採用常規的PI或PID控制算法，分別輸出變槳命令；
(6)兩個變槳命令相加求平均值後，得到合成變槳命令，作為位置環控制器的給定值， 槳葉的槳距角測量值通過位移傳感器檢測得到，並作為反饋值輸入到位置環控制器；位置環控制器的給定值和反饋值二者比較產生位置環控制器的偏差值；
(7)位置環控制器採用常規的PI或PID控制算法，輸出轉速命令到電氣伺服變槳機構中的驅動器中，驅動電氣伺服變槳機構帶動槳葉完成變槳動作；獨立變槳控制器、電氣伺服變槳機構、槳葉、位移傳感器、光纖傳感系統、方位角傳感器構成一個完整的閉環控制系統。實施例2，參照圖1-4，一種基於主控的兆瓦級水平軸風力機統一和獨立變槳混合控制方法。其具體實施流程如下
1、如圖1所示，變槳混合控制器由變槳控制開關、統一變槳控制器、獨立變槳控制器組成。風力發電機組併網前，首先根據風機具體工況在變槳控制開關中預設一個轉速偏差閾值。風力發電機組併網後，轉速傳感器測得的發電機轉速測量值與轉速給定值相比較，得到一個轉速偏差，觸發變槳控制開關動作。當轉速偏差大於這一閾值時，統一變槳控制器動作；當轉速偏差小於這一閾值時，獨立變槳控制器動作。2、風機主控輸出變槳命令到變槳混合控制器，轉速傳感器安裝於發電機輸出軸上，用於檢測發電機的轉速；位移傳感器安裝於每個電動機輸出軸上，位移傳感器採用光電編碼器，用於檢測電動機轉動角度，從而間接得到每個槳葉的槳距角；方位角傳感器安裝於一個槳葉的根部，用於檢測槳葉的方位角；光線傳感系統安裝於每個槳葉上，每個系統由4 個光纖載荷傳感器組成，兩兩安裝於每個葉片根部的擺振和揮舞方向，通過光源探測器測量葉片根部形變，並經信號處理後得到葉片擺振和揮舞兩個方向的載荷。由於三個槳葉之間相差120度，相差角度是固定不變的，轉速也是相同的，所以轉速傳感器、方位角傳感器各只須安裝一組。各傳感器檢測得到的發電機轉速、槳葉槳距角、槳葉擺振、揮舞載荷、槳葉方位角也一併輸入變槳混合控制器。變槳混合控制器輸出變槳命令，驅動電氣伺服變槳機構動作，實現槳葉槳距角調節。電氣伺服變槳機構主要由驅動器、電動機、減速器、電池箱或超級電容箱(圖中未示出)構成。3、變槳控制開關工作原理如圖2所示。ω*為給定轉速，其值一般設定為發電機額定轉速，ω為反饋轉速，是發電機轉速通過安裝在輸出軸上的轉速傳感器檢測得到的值。 二者比較後得到轉速偏差e ，e 與轉速偏差閾值比較。當轉速偏差大於轉速偏差閾值時， 統一變槳控制器動作；當轉速偏差小於轉速偏差閾值時，獨立變槳控制器動作。4、統一變槳控制工作原理如圖3所示。圖3給出了槳葉A的統一變槳控制方法， 其它兩個槳葉與其完全相同，具體實施流程如下
(1)當轉速偏差大於閾值時，如風力機如遇陣風等情況，風速突然增大或減小，此時統一變槳控制器工作，風機主控輸出變槳命令β*作為統一變槳控制器的輸入給定值，槳葉A 的槳距角測量值β通過安裝在電氣伺服變槳機構中電動機輸出軸上的位移傳感器檢測得到，並作為反饋值輸入到統一變槳控制器。(2)給定值β *和反饋值β 二者比較產生統一變槳控制器的偏差值e。。(3)統一變槳控制器可採用常規的PI或PID控制算法，輸出轉速命令η*到電氣伺服變槳機構中的驅動器中，驅動電氣伺服變槳機構帶動槳葉完成變槳動作。(4)統一變槳控制器、電氣伺服變槳機構和位移傳感器構成一個完整的閉環控制系統。5、獨立變槳控制工作原理如圖4所示。由圖4可知獨立變槳控制器由槳距角-風速轉換模型、方位角轉換模型、擺振載荷計算模型、揮舞載荷計算模型、擺振載荷控制器、揮舞載荷控制器、位置環控制器組成。圖4隻給出了槳葉A的獨立變槳控制方法，其它兩個槳
10葉與其基本相同，唯一區別是槳葉B、C無須再安裝方位角傳感器，因為槳葉A、B、C空間位置兩兩相差120°，知道槳葉A的方位角，即可推算出槳葉B、C的方位角。具體實施流程如下
(1)當轉速偏差小於閾值時，如風力機工況相對穩定，風速增大或減小不明顯，此時獨立變槳控制器工作，風機主控輸出變槳命令β *通過獨立變槳控制器中的槳距角-風速轉換模型轉換為對應的平均風速V。一般的，兆瓦級風力機槳距角和風速是一個單調增的拋物線故系，如圖5所示。槳距角-風速轉換模型可以根據具體控制精度要求，通過線性擬合公式或表格的形式分段給出，如可以以槳距角變化每1°來劃分變槳區間。區間劃分越細，控制精度越高，但是變槳動作頻率隨之也越快，對驅動齒輪的磨損也會越大。(2)槳葉方位角θ由安裝在槳葉上的方位角傳感器檢測得到。考慮到變槳頻繁動作將對槳葉根部驅動齒輪產生較大磨損，方位角可通過獨立變槳控制器中的方位角轉換模型轉換為分段的方位角Θ」方位角轉換模型可以根據具體控制精度要求，通過線性擬合公式或表格形式分段給出，如可以以方位角變化每10°來劃分變槳區間。同樣區間劃分越細，控制精度越高，但是變槳動作頻率隨之也越快，對驅動齒輪的磨損也會越大。(3)平均風速ν和方位角θ i分別輸入到擺振載荷計算模型和揮舞載荷計算模型中。擺振載荷計算模型和揮舞載荷計算模型輸出值Mjri和M"是在考慮風剪切、塔影效應、 湍流、尾流和偏航等因素對擺振載荷和揮舞載荷影響後，先計算三個槳葉各自的擺振載荷和揮舞載荷，然後求平均值得到的。擺振載荷Mjri和揮舞載荷Μ"分別乘以權係數 和 得到Mx*和My*，作為擺振載荷控制器和揮舞載荷控制器的給定值。由於實際中三個槳葉的方位角不同，三個槳葉各自的擺振載荷和揮舞載荷大小也不同，求取平均值作為控制器的給定值後，即能保證三個槳葉擺振載荷和揮舞載荷大小相同，尤其是對槳葉揮舞方向載荷平衡具有重要意義。分別乘以權係數\和 ，還可以調節擺振載荷和揮舞載荷的大小，從而最終使其在保證風力機功率穩定和最優輸出的前提下，平衡和減小槳葉載荷，降低風力機的振動，提高風力機動力穩定性和使用壽命。(4)槳葉A的擺振載荷測量值Mx和揮舞載荷測量值My由安裝在槳葉上的光纖傳感系統測量得到。每個系統由4個光纖載荷傳感器組成，兩兩安裝於每個葉片根部的擺振和揮舞方向，通過光源探測器測量葉片根部形變，並經信號處理後得到葉片擺振和揮舞兩個方向的載荷，最後作為反饋值輸入到擺振載荷控制器和揮舞載荷控制器中。(5)給定值Mx*和My*分別和反饋值Mx和My 二者比較，產生擺振載荷控制器和揮舞載荷控制器的偏差值&和ey。(6)擺振載荷控制器和揮舞載荷控制器可採用常規的PI或PID控制算法，分別輸出變槳命令1和3y。(7)1和β ,相加求平均值後，得到合成變槳命令β h*，作為位置環控制器的給定值，槳葉A的槳距角測量值β通過位移傳感器檢測得到，並作為反饋值輸入到位置環控制
ο(8)給定值β h*和反饋值β 二者比較產生位置環控制器的偏差值力。(9)位置環控制器可採用常規的PI或PID控制算法，輸出轉速命令η*到電氣伺服變槳機構中的驅動器中，驅動電氣伺服變槳機構帶動槳葉完成變槳動作。(10)獨立變槳控制器、電氣伺服變槳機構、槳葉、位移傳感器、光纖傳感系統、方位角傳感器構成一個完整的閉環控制系統。 綜上所述，本實施例方法是一套基於主控的兆瓦級水平軸風力機統一和獨立變槳混合控制方法，通過該方法可以有效地進行混合控制，實現統一變槳和獨立變槳。
權利要求
1. 一種基於主控的兆瓦級水平軸風力機統一和獨立變槳混合控制方法，其特徵在於 實現該方法的系統包括變槳混合控制器，變槳混合控制器由變槳控制開關、統一變槳控制器和獨立變槳控制器組成，所述的獨立變槳控制器由槳距角-風速轉換模型、方位角轉換模型、擺振載荷計算模型、揮舞載荷計算模型、擺振載荷控制器、揮舞載荷控制器、位置環控制器組成；風力發電機組併網前，首先根據風機具體工況在變槳控制開關中預設一個轉速偏差閾值並設定一個轉速給定值；風力發電機組併網後，轉速傳感器測得的發電機轉速測量值與轉速給定值相比較，得到一個轉速偏差，觸發變槳控制開關動作，即當轉速偏差大於這一閾值時，統一變槳控制器動作；當轉速偏差小於這一閾值時，獨立變槳控制器動作；當轉速偏差大於轉速偏差閾值時，風機主控輸出的變槳命令作為統一變槳控制器的給定值，統一變槳控制器輸出轉速命令到電氣伺服變槳機構中的驅動器中，驅動電氣伺服變槳機構帶動槳葉完成變槳動作；當轉速偏差小於轉速偏差閾值時，風機主控輸出的變槳命令由槳距角-風速轉換模型轉換為對應的平均風速，位置環控制器輸出轉速命令到電氣伺服變槳機構中的驅動器中， 驅動電氣伺服變槳機構帶動槳葉完成變槳動作；所述的變槳混合控制方法包括統一變槳控制方法和獨立變槳控制方法；所述的統一變槳控制方法具體步驟是(1)當轉速偏差大於閾值時，即風速突然增大或減小，此時統一變槳控制器工作，風機主控輸出變槳命令作為統一變槳控制器的輸入給定值，槳葉的槳距角測量值通過安裝在電氣伺服變槳機構中電動機輸出軸上的位移傳感器檢測得到，並作為反饋值輸入到統一變槳控制器；給定值和反饋值二者比較產生統一變槳控制器的偏差值；(2)統一變槳控制器採用常規的PI或PID控制算法，輸出轉速命令到電氣伺服變槳機構中的驅動器中，驅動電氣伺服變槳機構帶動槳葉完成變槳動作；統一變槳控制器、電氣伺服變槳機構和位移傳感器構成一個完整的閉環控制系統；所述的獨立變槳控方法的具體步驟是(1)當轉速偏差小於閾值時，即風速增大或減小不明顯，此時獨立變槳控制器工作，風機主控輸出的變槳命令通過獨立變槳控制器中的槳距角-風速轉換模型轉換為對應的平均風速；槳距角-風速轉換模型根據具體控制精度要求，通過線性擬合公式或表格的形式分段給出；(2)槳葉方位角由安裝在槳葉上的方位角傳感器檢測得到；方位角轉換模型根據具體控制精度要求，通過線性擬合公式或表格的形式分段給出；(3)平均風速和槳葉方位角分別輸入到擺振載荷計算模型和揮舞載荷計算模型中；擺振載荷計算模型和揮舞載荷計算模型輸出值是在考慮風剪切、塔影效應、湍流、尾流和偏航因素對擺振載荷和揮舞載荷影響後，先計算出三個槳葉各自的擺振載荷和揮舞載荷，然後求平均值得到的，再分別乘以權係數作為擺振載荷控制器和揮舞載荷控制器的給定值；(4)擺振載荷測量值和揮舞載荷測量值由安裝在槳葉上的光纖傳感系統測量得到；每個光纖傳感系統由4個光纖載荷傳感器組成，兩兩安裝於每個葉片根部的擺振和揮舞方向，通過光源探測器測量葉片根部形變，並經信號處理後得到葉片擺振和揮舞兩個方向的載荷，最後作為反饋值輸入到擺振載荷控制器和揮舞載荷控制器中；擺振載荷控制器和揮舞載荷控制器的給定值和反饋值分別比較，產生擺振載荷控制器和揮舞載荷控制器的偏差值；(5)擺振載荷控制器和揮舞載荷控制器採用常規的PI或PID控制算法，分別輸出變槳命令；(6)兩個變槳命令相加求平均值後，得到合成變槳命令，作為位置環控制器的給定值， 槳葉的槳距角測量值通過位移傳感器檢測得到，並作為反饋值輸入到位置環控制器；位置環控制器的給定值和反饋值二者比較產生位置環控制器的偏差值；(7)位置環控制器採用常規的PI或PID控制算法，輸出轉速命令到電氣伺服變槳機構中的驅動器中，驅動電氣伺服變槳機構帶動槳葉完成變槳動作；獨立變槳控制器、電氣伺服變槳機構、槳葉、位移傳感器、光纖傳感系統、方位角傳感器構成一個完整的閉環控制系統。
全文摘要
本發明是一種基於主控的兆瓦級水平軸風力機統一和獨立變槳混合控制方法，即發電機轉速偏差較大時，採用統一變槳控制方式，轉速偏差較小時，採用獨立變槳控制方式，驅動電氣伺服變槳機構帶動槳葉完成變槳動作。統一變槳控制時風機主控發出的變槳命令即為每個槳葉的變槳給定命令；獨立變槳控制時則對風機主控發出的變槳命令進行模型轉換得到對應的平均風速，並結合每個槳葉各自的空間位置，通過擺振載荷和揮舞載荷模型計算和控制，得到每個槳葉各自的變槳命令。統一變槳控制器和獨立變槳控制器都是以風機主控發出的變槳命令作為控制器的輸入值，既保證了與風機整機有很好的兼容性和通用性，又綜合了統一變槳控制響應快和獨立變槳控制精度高的優點，達到輸出穩定和最優功率，減小和平衡槳葉載荷、降低主軸振動，提高風力機動力穩定性和使用壽命的目的。
文檔編號F03D7/00GK102168650SQ20111013863
公開日2011年8月31日 申請日期2011年5月26日 優先權日2011年5月26日
發明者孔屹剛, 曹為理, 李愛英, 李萌萌, 溫和煦, 程穎, 葛佳佳, 邱靜, 陳建華, 顧兆丹 申請人:連雲港傑瑞電子有限公司